Contribution a la téléoperation de robots en présence de délais de transmission variables

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Contribution a la téléoperation de robots en présence de délais de transmission variables

Arnaud Lelevé

To cite this version:

Arnaud Lelevé. Contribution a la téléoperation de robots en présence de délais de transmission variables. Automatique / Robotique. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2000. Français. �tel-00580771�

ACADEMIE DE MONTPELLIER

U

NIVERSITE

M

ONTPELLIER II

{ Sciences et Techniques du Languedoc {

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE MONTPELLIER II

Discipline:

Genie Informatique, Automatique et Traitement du signal

Formation doctorale:

Systeme Automatiques et Microelectroniques

Ecole doctorale:

Information, Structures, Systemes

presentee et soutenue publiquement par

Arnaud LELEVE

Le 12 decembre 2000

Titre:

Contribution a la teleoperation de robots en presence

_{de delais de transmission variables}

JURY

M. PhilippeCoiffet Directeur de recherche CNRS au LRP Rapporteur M. Thierry Divoux Professeur au CRAN (Nancy) Rapporteur

M. PierreDauchez Charge de recherche CNRS au LIRMM Directeur de these M. EtienneDombre Directeur de recherche CNRS au LIRMM Examinateur M. AlainFournier Professeur au LIRMM President M. PhilippeFraisse Ma^tre de conferences au LIRMM Examinateur M. AlainMicaelli Ingenieur au CEA Examinateur

Remerciements

Attention, cette page est la derniere page de ce manuscrit pouvant contenir des informa-tions non scientiques, donc lisibles par le commun des mortels. Si vous ne comprenez rien a l'automatique ni aux reseaux informatiques, vous pourrez reposer cet exemplaire a la n de cette page. Si vous ^etes motive, vous pouvez egalement pousser jusqu'a l'introduction, voire m^eme le debut de l'etat de l'art. Apres, c'est du chinois.

Il s'agit egalement de la seule page qui a echappe a la censure, hormis la dedicace. Heureusement, celle-ci (la censure, pas la dedicace) n'a pas ete trop severe ou n'a pas trouve de pretexte pour exercer ses foudres. Elle a m^eme laisse passer une reference bibliographique fantaisiste ... une seule, je vous rassure.

Il est temps de passer en revue les nombreuses personnes a remercier. Etant limite en place, je risque d'omettre certaines personnes qui auraient aime passer a la posterite; que ces personnes veuillent bien m'excuser. Si elles se manifestent, je tacherai de les citer dans les remerciements de mon rapport d'Habilitation a Diriger des Recherches dans quelques annees.

En premier lieu, je tiens a remercier GastonCambon, directeur du LIRMM de m'avoir

accueilli au sein de son laboratoire repute internationalement, notamment pour son taux d'ensoleillement annuel.

Je remercie vivement PhilippeFraisse, qui m'a encadre pendant le DEA et la these. Il m'a egalement chaleureusement accueilli au sein de son departement GTR a l'IUT de Beziers. Mes remerciements vont egalement a Pierre Dauchez, mon directeur de these constamment a l'ecoute des problemes des thesards.

M. Philippe Coiffet, directeur de recherche CNRS au LRP et M. Thierry Divoux, professeur au CRAN, ont eu la gentillesse d'accepter d'^etre rapporteurs de cette these. EtienneDombre, AlainFournieret AlainMicaelliont eu la courtoisie d'accepter de tenir les r^oles d'examinateurs. Je leur renouvelle mes remerciements.

En second lieu, ces remerciements sont distribues a l'ensemble du departement Ro-botique: David Andreu, Francois Pierrot toujours pr^et a motiver les troupes et a repousser les murs, Jerome Vaganay qui s'est sacrie en prenant le lit de camp a

Anchorage, Marie-Jo Aldon et Andre Crosnier toujours de bonne humeur, Olivier

Strauss et Rene Zapata (l'inseparable compadre de Bruno Jouvencel) jamais en panne d'inspiration en matiere de blagues et Freddy pour sa generosite, sa cuisine et ses farces recurrentes. Ils vont aussi a l'ensemble de l'equipe enseignante du departement

GTR de l'IUT de Beziers.

Un tres grand merci a Corine pour avoir eu la patience de relire mon rapport et qui a ete d'une aide precieuse pour maintenir la motivation des troupes.

Il va sans dire que je n'aurais jamais pu commencer ni nir cette these sans l'aide administrative de Josette. Je serais egalement reste clo^tre au laboratoire et je n'aurais jamais connu le froid arctique de l'Alaska sans l'aide de Nadine. Merci egalement a Nicole pour sa bonne humeur constante, sans oublier les autres personnes du labo que j'ai pu cotoyer depuis 4 ans.

Plein de mercis a tous ceux qui ont partage mon quotidien, thesards et ex-DEA, pour ne citer que Clotilde, Muriel, Christine (une chtite poire?), Tiphaine (cherchez l'intruse) et Sandrine, pour la gente feminine et, par ordre d'anciennete, Lionel et ses pensees Zen, Manu, Denis M., Erwann (pekee, pekee, pekee...), Olivier C. (Dezo), Philou, les 2 Fred. C., Philippe B., Geovany B., Jerome A., Vincent C., Julien A., Gilles D., Benoit T., Laurent T., Philippe L., Abraham S. et Seb. K. pour la gente masculine.

Plein de mercis egalement a l'ensemble des thesards et permanents qui ont gravite autour des journees jeunes chercheurs, notamment FrancoisBerry, OlivierCarmona,

AlainGourdon et Bruno Marhic, ainsi que XavierClady qui a repris le ambeau du site web de l'AJCR1_.

N'oublions pas Laure et Stephanie qui ont activement participe au pot et toutes les personnes (la liste est malheureusement trop longue pour gurer ici; cf. tome II) qui ont alimente ma reserve d'images abracadabrantes et de blagues et qui ont entretenu une correspondance quotidienne electronique (B13s, B4s, le LEM, les parisiens, le neo-belge...).

Pleins de bisous a toute ma famille qui a assiste de pres et de loin a l'avancement de mes travaux. Un big big Thank-you avec des bisous a Laure et a Phebus pour m'avoir soutenu pendant les periodes critiques et pour avoir endure mon absence prolongee durant les nombreuses soirees et week-ends passes au labo a rediger le rapport et a preparer la soutenance.

Une pensee a Bill Gates pour avoir egaille notre quotidien de ses bogues artistiques

ainsi qu'a Linus Torvald pour avoir inspire Corine dans son uvre intitulee Arnux.

Bon, j'espere que j'ai oublie personne... Sur ce, je vous souhaite une agreable lecture.

Table des matieres iii

Table des matieres

Remerciements

i

Table des matieres

iii

Liste des gures

vii

Liste des tableaux

xiii

Introduction

1

1 Etat de l'art

5

1.1 Les origines de la teleoperation . . . 5

1.1.1 Les debuts de la robotique . . . 5

1.1.2 Petit historique de la teleoperation . . . 6

1.2 Applications . . . 12

1.3 Les dierentes familles . . . 14

1.3.1 Commandes a boucle globale . . . 16

1.3.2 Commandes a retour virtuel . . . 25

1.3.3 Contr^ole partage . . . 26

1.3.4 Contr^ole superviseur ou teleprogrammation . . . 28

1.4 Teleoperation via l'Internet . . . 32

1.5 Conclusion . . . 35

2 Modelisation

37

2.1 Introduction . . . 37

2.2 Schema initial de teleoperation . . . 37

2.2.1 La base . . . 38

iv Table des matieres 2.2.3 Transmissions . . . 39 2.3 Site experimental . . . 39 2.3.1 La base . . . 41 2.3.2 Le systeme distant . . . 41 2.3.3 Architecture logicielle . . . 42 2.4 Identications . . . 51

2.4.1 Modele generique du systeme distant . . . 51

2.4.2 Modele de la transmission . . . 52

2.5 Modelisation pour simulations . . . 60

2.5.1 Organisation . . . 60

2.5.2 Systeme hybride . . . 61

2.5.3 Description des modeles initiaux . . . 62

2.6 Recapitulatif . . . 69 2.7 Conclusion . . . 71

3 Etudes

73

3.1 Introduction . . . 73 3.2 Analyse . . . 74 3.2.1 Systeme etudie . . . 74

3.2.2 Systeme du premier ordre . . . 74

3.2.3 Etude de la stabilite pour un retard constant . . . 75

3.2.4 Etude de stabilite pour un retard pseudo-lineaire . . . 78

3.2.5 Comparaison des resultats . . . 83

3.2.6 Autres methodes . . . 83

3.2.7 Systeme du second ordre . . . 87

3.2.8 Conclusions sur la stabilite . . . 95

3.3 Regulation des retards . . . 96

3.3.1 Finalite . . . 96

3.3.2 Mesure des temps de transmission aller{retour . . . 96

3.3.3 Principe . . . 97

3.3.4 Validation par simulations . . . 102

3.3.5 Validation experimentale . . . 113

3.3.6 Conclusions sur la regulation . . . 130

Table des matieres v

3.4.1 Contexte . . . 131

3.4.2 Estimateur/predicteur . . . 132

3.4.3 Identicateur . . . 133

3.4.4 Validation par simulation . . . 134

3.4.5 Conclusion sur la prediction/estimation . . . 137

3.5 Conclusion . . . 137

4 Application

139

4.1 Introduction . . . 139

4.2 Description de la methode de commande . . . 140

4.2.1 Schema global . . . 140

4.2.2 Commande en position par decouplage non lineaire . . . 141

4.2.3 Details des regulateurs . . . 144

4.2.4 Details du predicteur . . . 148

4.3 Conclusion . . . 150

Conclusion generale et perspectives

151

Glossaire

165

Annexe A - Theorie des reseaux

167

Annexe B - Variables d'ondes

171

Annexe C - Protocoles pour l'

Internet

175

Annexe D - Commande linearisante

183

Annexe E - Modelisation du bras manipulateur

PUMA

560

187

Annexe F - Identication dynamique de systemes echantillonnes

193

Table des gures vii

Table des gures

1.1 Schema d'une structure de teleoperation ma^tre{esclave classique . . . . 6

1.2 Exemple de telemanipulateur mecanique pour le domaine nucleaire . . 7

1.3 Representation virtuelle du robot ROTEX [HIR 94] . . . 9

1.4 Environnement de (( jeu )) pour le robot de type SCARA [GOL 95] . . 10

1.5 Superposition du modele virtuel sur une image video stereoscopique [RAS 96] . . . 11

1.6 Contexte de teleoperation pour l'experience SHISHA98 [GOU 99] . . . 12

1.7 Exemple de robots teleoperes en milieu hostile . . . 13

1.8 La telechirurgie: une branche recente pour la teleoperation . . . 14

1.9 Quatre grandes approches de la teleoperation a longue distance (d'apres [STE94]) . . . 15

1.10 Predicteur de Smith . . . 17

1.11 Representations virtuelles d'operations en interaction avec l'environne-ment (d'apres [KH2 97]) . . . 18

1.12 Modeles du ma^tre et de l'esclave avec un reseau de Hilbert. . . 18

1.13 Cha^ne de teleoperation modelisee en reseau de Hilbert . . . 19

1.14 Modelisation d'une boucle de teleoperation simple a l'aide des variables d'ondes . . . 21

1.15 Adaptation d'impedance a l'aide de deux correcteurs P.D. . . 22

1.16 Structure globale de compensation des retards proposee par Yokokohji 24 1.17 Exemples d'interfaces utilisateurs ameliorees . . . 26

1.18 Illustration d'une manuvre de deplacement [RAS 96] . . . 27

1.19 Schema general d'une boucle de teleprogrammation . . . 28

1.20 Concept de la teleprogrammation . . . 29

1.21 Equipement d'immersion en realite virtuelle utilise pour [POO 95] . . . 30

1.22 Boucle de teleoperation sous-marine [SAY 96] . . . 31

viii Table des gures

1.24 Le telerobot de l'UWA . . . 34

1.25 Interface JAVA du projet WITS [BAC 00] . . . 35

1.26 Exemple d'interface VRML . . . 36

2.1 Schema de teleoperation basique . . . 38

2.2 Details des blocs base et systeme distant . . . 39

2.3 Plate-forme de teleoperation . . . 40

2.4 Manipulateur mobile . . . 41

2.5 Architecture logicielle de teleoperation . . . 42

2.6 Interface logicielle pour BASE . . . 43

2.7 Conception modulaire des applications BASE et MANIMOB . . . 45

2.8 Separation des fonctions d'emission et de reception . . . 46

2.9 Conception stratiee des blocs de transmissions . . . 46

2.10 Qualite des periodes d'horloge pour BASE . . . 48

2.11 Qualite des periodes d'horloge pour MANIMOB . . . 48

2.12 Derive de l'horloge de BASE . . . 49

2.13 Derive de l'horloge de MANIMOB . . . 49

2.14 Temps CPU pour BASE . . . 50

2.15 Temps CPU pour MANIMOB . . . 50

2.16 Reponse indicielle pour la direction . . . 51

2.17 Itineraire des trames entre deux h^otes du LIRMM et de l'IUT de Beziers 53 2.18 Resultats des mesures entre Montpellier et Beziers avec ICMP . . . 54

2.19 Resultats des mesures de delais entre Montpellier et Beziers avec TCP . 57 2.20 Delais Montpellier | New-Jersey avec TCP le matin . . . 58

2.21 Delais Montpellier | New-Jersey avec TCP l'apres-midi . . . 59

2.22 Organisation generale de la simulation . . . 61

2.23 Exemple de signaux de donnees et de synchronisation . . . 62

2.24 Modele de simulation du systeme distant . . . 62

2.25 Reponse du systeme distant simule a des echelons . . . 63

2.26 Exemple de signaux desire et retour . . . 64

2.27 Modele de simulation du lien de transmission (ici pour le signal de retour) 64 2.28 Signaux et retards obtenus pour une simulation de transmission avec Beziers . . . 66

Table des gures ix 2.29 Signaux et retards obtenus pour une simulation de transmission avec

Rutgers le matin . . . 67

2.30 Signaux et retards obtenus pour une simulation de transmission avec Rutgers l'apres-midi . . . 68

2.31 Modele global de la boucle de teleoperation initiale . . . 70

3.1 Systeme etudie . . . 74

3.2 Systeme simplie equivalent . . . 75

3.3 Representation graphique de la relation entre Trcd etKcd:G . . . 78

3.4 Modele de simulation utilise (retard constant) . . . 78

3.5 Evolution de Tr(t) . . . 79

3.6 Schema de simulation utilise (retard pseudo-lineaire) . . . 82

3.7 Evolution du gain limite de stabilite (retard pseudo-lineaire) . . . 82

3.8 Comparaison des gains limites de stabilite dans les deux cas etudies . . 83

3.9 Modele de simulation utilise (cas sinusodal) . . . 84

3.10 Evolution du gain limite de stabilite (retard sinusodal) . . . 85

3.11 Evolution des signaux pour un retard sinusodal de frequence 1 Hz . . . 85

3.12 Evolution des signaux pour un retard sinusodal de frequence 5 Hz . . . 86

3.13 Evolution des signaux pour un retard sinusodal de frequence 10 Hz . . 86

3.14 Systeme du second ordre etudie . . . 87

3.15 Fonctions f1(!) et f2(!) . . . 88

3.16 Evolution de K:G en fonction du retard Trc . . . 89

3.17 Schema de simulation du second ordre (retard constant) . . . 90

3.18 Variation du gain limite K:G en fonction du retard Trc . . . 90

3.19 Kd =f(Trc),Kp = 1, K:G= 1 . . . 91

3.20 Evolution de
(K:G) . . . 93

3.21 Evolution de K:G=f(Trc) . . . 94

3.22 Systeme du premier ordre corrige avec un correcteur du m^eme ordre . . 96

3.23 Insertion des regulateurs . . . 98

3.24 Structure des regulateurs . . . 98

3.25 Decomposition du temps de vol total aller ou retour Ttotal₍AjR)(t) . . . . 101

3.26 Simulation: action d'un regulateur sur les signaux (cas Beziers) . . . . 103

3.27 Simulation: delais dus au reseau (cas Beziers) . . . 104

x Table des gures

3.29 Simulation: comparaison des retards reseau et globaux (cas Beziers) . . 106

3.30 Simulation: evolution de la taille d'un regulateur (cas Beziers) . . . 106

3.31 Simulation: evolution des periodes en sortie d'un regulateur (cas Beziers)107 3.32 Simulation: action d'un regulateur sur les signaux (cas Rutgers) . . . . 108

3.33 Simulation: retards imposes par le reseau (cas Rutgers) . . . 109

3.34 Simulation: retards apres regulation (cas Rutgers) . . . 110

3.35 Simulation: comparaison des retards avant et apres regulation (cas Rut-gers) . . . 111

3.36 Simulation: evolution de la taille d'un regulateur (cas Rutgers) . . . 111

3.37 Simulation: evolution des periodes en sortie d'un regulateur (cas Rutgers)112 3.38 Simulation: details du remplissage de la le (cas Rutgers) . . . 112

3.39 Separation des fonctions d'emission et de reception . . . 114

3.40 Ajout des regulateurs aux blocs d'emission et de reception . . . 115

3.41 Experimentation: evolution temporelle des signaux ir(t) et ic(t) (cas Beziers) . . . 116

3.42 Experimentation: retards dus au reseau (cas Beziers) . . . 117

3.43 Experimentation: retards globaux (cas Beziers) . . . 118

3.44 Experimentation: comparaison des retards (cas Beziers) . . . 119

3.45 Experimentation: evolution de la le d'un des regulateurs (cas Beziers) 119 3.46 Experimentation: periodes avant regulation (cas Beziers) . . . 120

3.47 Experimentation: periodes en sortie d'un des regulateurs (cas Beziers) . 120 3.48 Plate-forme de teleoperation avec relais . . . 121

3.49 Architecture globale de teleoperation a longue distance ctive . . . 122

3.50 RELAIS: insertion dans la cha^ne de transmission . . . 123

3.51 RELAIS: action sur les donnees (cas Rutgers AM) . . . 123

3.52 RELAIS: prol des retards desires et obtenus (cas Rutgers AM) . . . 124

3.53 RELAIS: comparaison des retards desires et obtenus (cas RutgersAM) . 124 3.54 Experimentation: action du regulateur de BASE sur les donnees trans-mises (cas Rutgers) . . . 126

3.55 Experimentation: retards reseau mesures (cas Rutgers) . . . 127

3.56 Experimentation: retards globaux mesures (cas Rutgers) . . . 128

3.57 Experimentation: periode en sortie d'un regulateur (cas Rutgers) . . . . 128

Table des gures xi 3.59 Experimentation: comparaison entre retards avant et apres regulation

(cas Rutgers) . . . 129

3.60 Architecture globale pour la prediction/estimation . . . 132

3.61 Details du bloc de prediction . . . 133

3.62 Details du bloc ltre adaptatif . . . 134

3.63 Resultats de simulation pour Montpellier{Beziers . . . 135

3.64 Resultats de simulation pour Montpellier{Rutgers . . . 136

4.1 Commande dynamique en position dans l'espace operationnel . . . 144

4.2 Resultats de simulation pour la prediction de la moyenne des retards . 146 4.3 Details du bloc de prediction . . . 148

A.1 Elements primitifs d'un reseau de Hilbert. . . 168

A.2 Exemple de deux reseaux equivalents a elements unitaires . . . 169

B.1 Modele du bloc de transmissions avec des variables d'ondes . . . 173

C.1 Architecture TCP/IP . . . 176

C.2 Format d'un en-t^ete IP . . . 178

C.3 Format d'une trame ICMP Echo . . . 179

C.4 Format d'une trame ICMP Timestamp . . . 179

Liste des tableaux xiii

Liste des tableaux

2.1 Resultats des dierentes mesures utilisant ICMP . . . 53 2.2 Resultats des dierentes mesures avec TCP . . . 56 2.3 Resultats des dierentes simulations (en ms) . . . 65 3.1 Simulation: resultats des dierents essais de determination de la taille

desiree . . . 113 4.1 Parametres des retards pour les phases de teleoperation . . . 140 G.1 Equations du ltre de Kalman classique . . . 199

Introduction

Certains corps de metier ont parfois besoin de recourir a des manipulations a dis-tance notamment lorsque des objets dangereux doivent ^etre transportes et/ou quand l'environnement est trop agressif pour les humains (milieux sous-marins en grande pro-fondeur, milieux explosifs, ...). Le poste de travail doit alors se situer de preference le plus pres de la zone operatoire mais accessible a l'operateur humain.

Un exemple typique est la collecte de donnees sous-marines au moyen d'un vehi-cule submersible plonge au milieu de l'ocean atlantique [SAY 96] et teleopere depuis la surface. Ce type d'experimentation requiert un equipement consequent (bateau su-perviseur, submersible, equipements de collecte de donnees, ...), une equipe technique experimentee et de nombreuses heures de travail in-situ.

Ces manipulations sont loin d'^etre aisees a mettre en uvre car n'importe quelle entreprise ne dispose pas des moyens necessaires a de telles experimentations grandeur nature. Il y a trois principales raisons a cela:

{ nancieres: co^ut de l'experimentation, des transports (humain et materiel), de l'infrastructure a mettre en place et salaires des equipes presentes sur le site operatoire,

{ humaines: eloignement du lieu d'origine, besoin d'une equipe technique specia-lisee, environnement parfois inhospitalier (par exemple, plates-formes en pleine mer),

{ techniques: distance entre le site et le lieu de travail habituel, materiel co^uteux et dicile a transporter, ...

An de limiter les diverses consequences evoquees ci-dessus, il est preferable de limiter les deplacements du personnel pour chaque experimentation. Autrement dit, un minimum de personnes competentes doit ^etre present in situ (pour reprendre l'exemple precedent, sur le bateau superviseur) mais contr^ole les experimentations depuis son lieu de travail usuel (sur terre). Cela sous-entend de passer d'une teleoperation a courte distance (bateau { sous-marin) a une teleoperation a longue distance (bureau { bateau { sous-marin).

D'autre part, les entreprises ont tout inter^et a mettre en commun des ressources dans le cadre de projets de partenariat. Il est en eet interessant de pouvoir partager

2 Introduction un m^eme site experimental: les co^uts s'en trouvent approximativement divises par le nombre d'utilisateurs et l'infrastructure de teleoperation a longue distance n'en est pas pour autant bouleversee. Ainsi, chaque partenaire pourrait utiliser la m^eme plate-forme d'experimentation, chacun recuperant les donnees qui l'interessent. L'equipe lo-cale n'aurait qu'a se charger des questions purement techniques propres a chaque sortie du submersible.

Du point de vue technologique, la teleoperation d'un systeme, partagee entre die-rentes equipes disseminees dans le monde et aux equipements informatiques diversies, nous a amene a envisager un poste de contr^ole a distance sous forme d'une application informatique, executable sur n'importe quel type d'ordinateur. La technologie JAVA nous a semble adaptee a ce concept. Malheureusement, elle n'etait pas encore assez stable a l'epoque du debut de ce travail.

Par ailleurs, les cas de teleoperation a longue distance impliquent generalement l'uti-lisation de dierents moyens de communication. Pour reprendre l'exemple precedent de teleoperation sous-marine, les donnees doivent parcourir:

{ le reseau local de l'entreprise pilote (Ethernet, Token-Ring, ...),

{ le medium longue distance dont le choix depend notamment des besoins en debit, { une transmission radio entre la terre et le bateau,

{ et enn, une transmission acoustique du bateau au sous-marin.

En ce qui concerne le medium longue distance, s'il est possible de louer des lignes specialisees entre une entreprise et un site d'experimentation, cela devient dicile lorsque ce site est partage entre plusieurs entites et co^uteux lorsque les distances sont importantes. Le moyen de communication informatique longue distance (commun au site et a ces entreprises) qui s'impose alors est l'Internet. L'avantage de son utilisation est sa ((gratuite)) dans le cadre experimental; tous les laboratoires de recherche et une

bonne partie des entreprises modernes possedent en general une liaison xe a l'Internet. Il est toujours possible de se connecter a un fournisseur d'acces le temps d'eectuer ce type d'experimentations. De plus, la structure en forme de maillage de l'Internet procure une securite de fonctionnement indispensable pour une application telle que la teleoperation d'un robot.

Toutefois, l'infrastructure necessaire a la mise en uvre d'une teleoperation a longue distance va engendrer de nouvelles contraintes auxquelles il faudra se plier. En eet, la mise en cha^ne de dierents media de communication engendre une bande passante limitee par le medium ayant la plus faible bande passante, ce qui penalise l'ensemble de la communication.

En outre, nous devrons faire face non seulement a des temps de transmission va-riables dans le temps (car nous nous placons dans des cas ou la distance entre le robot et l'operateur est telle que la vitesse de propagation des signaux ainsi que les delais im-poses par les nombreux organes de commutation ne sont plus negligeables) mais aussi a des debits variables (lorsque les media sont partages entre plusieurs utilisateurs, comme dans le cas de l'Internet).

Introduction 3 Dans le cas de la commande d'un robot bouclee a distance, ces delais variables, non deterministes, interviennent a l'aller et au retour (de facon generalement asyme-trique) et sont un facteur principal d'instabilite de ce type de commande. Par exemple, lors d'un mouvement d'approche, des que le contact est percu par l'operateur, celui-ci donne l'ordre d'immobiliser le teleoperateur. Cependant ce dernier continue d'avancer tant que l'ordre d'arr^et ne lui est pas parvenu, d'ou une possibilite de deterioration du teleoperateur et/ou d'une partie de l'environnement. En fait, ces problemes inter-viennent des lors qu'il ne s'agit plus d'un mouvement libre du teleoperateur sans risque de collision. Pour un vehicule, les phases d'evitement d'obstacle sont tout aussi cri-tiques si l'operateur ne percoit pas l'obstacle assez rapidement pour pouvoir intervenir a temps. Il est a noter que des delais de transmission de moins de une seconde peuvent destabiliser un teleoperation directe.

Enn, l'operateur ne peut avoir qu'une representation partielle du site operatoire par exemple sous forme de ux video retardes. Ces contraintes techniques rendent la telemanipulation dicile voire incertaine pour l'operateur.

Vu l'inter^et general et le nombre d'applications de la teleoperation a longue distance, vu les contraintes technologiques que cela sous-entend, notre intention est de mettre en uvre une architecture de teleoperation (( bas-niveau )) d'un robot via un medium de

telecommunication numerique presentant les defauts evoques ci-dessus. Cette architec-ture permettra ulterieurement de tester des methodes de teleoperation(( haut-niveau))

comme nous pouvons en rencontrer dans la litterature scientique actuelle.

Nous allons, dans un premier temps, recenser les dierentes theories et technologies employees en vue de teleoperations a courte et a longue distances.

Nous etudierons ensuite un schema minimum de teleoperation a courte distance. Nous analyserons les resultats d'une premiere experimentation et nous les utiliserons dans le but d'elaborer un modele mathematique d'une simple boucle de teleoperation. Nous analyserons egalement le comportement du reseau informatique utilise comme moyen de transmission dans la boucle de teleoperation et nous incorporerons ces resul-tats dans notre modele en vue de simuler une teleoperation a longue distance.

Nous utiliserons le modele ainsi developpe pour eectuer des simulations a courte et a longue distance; celles-ci nous permettront de determiner les defauts a palier pour ameliorer le schema de teleoperation a longue distance.

Nous analyserons ensuite les problemes de stabilite de ces systemes teleoperes et nous proposerons des ameliorations au schema initial de teleoperation fondees sur les conclusions des precedentes simulations. Nous validerons ensuite ces ameliorations sur la plate-forme de teleoperation mise au point.

Nous proposerons enn un schema complet de teleoperation mettant en uvre l'ensemble des travaux etudies dans cet ouvrage dans le cadre de telemanipulations terrestres en milieu hostile.

Enn, nous evoquerons les ameliorations a apporter a cette etude et nous propose-rons des themes de recherche propres a completer ce travail.

Chapitre 1

Etat de l'art

1.1 Les origines de la teleoperation

1.1.1 Les debuts de la robotique

C'est en 1960 que le premier robot industriel fut introduit dans une usine. A cette epoque, la robotique se divisait en deux clans; d'une part celui des industriels qui cherchaient a augmenter leurs cadences en automatisant les t^aches les plus fastidieuses et, d'autre part, celui des roboticiens qui, pousses par les progres en intelligence arti-cielle, cherchaient la panacee en terme de robot:(( le robot universel)), autrement dit,

l'homme articiel.

La robotique industrielle a ainsi connu un essor formidable pendant 20 ans, portee par une tres forte demande des gros industriels (le secteur de l'automobile en particulier et l'industrie produisant en general en grandes series) cherchant a diminuer leurs co^uts et delais de fabrication en automatisant au maximum les cha^nes de production.

Devant l'immensite de la t^ache, le second clan a d^u se resoudre a une solution intermediaire: plut^ot que de tenter vainement de remplacer l'homme par le robot, il s'est oriente vers la conception d'un robot assistant l'homme. En eet, aujourd'hui encore, certaines t^aches complexes necessitent la presence ou l'intervention de l'homme au cours du processus semi-automatise.

La robotique industrielle a elle aussi d^u s'adapter aux realites industrielles; les etudes de gestion de production et de personnel ont egalement amene les industriels a reintegrer l'homme dans certains processus de fabrication.

La teleoperation appara^t ainsi au carrefour de la robotique industrielle et de la robotique plus (( scientique )). Elle intervient la ou l'homme seul est soit inecace,

soit dans l'impossibilite d'agir (environnement hostile, faible accessibilite, forte varia-bilite, ...) et la ou le robot autonome n'existe pas encore, faute d'intelligence susante

6 Chapitre 1. Etat de l'art pour faire face aux contraintes de commande et de securite. Il s'agit d'un juste milieu ou l'humain met a prot ses facultes intellectuelles nettement superieures a celles du robot (analyse, savoir-faire, adaptabilite, prise de decision en temps reel, ...) et ou le robot ajoute ses qualites de precision (resolution, justesse, ...), de force, et((

d'infatiga-bilite)). Il soulage ainsi l'operateur de contraintes operationnelles et decisionnelles de

bas niveau et lui permet de se concentrer sur la realisation de la t^ache au plus haut niveau.

1.1.2 Petit historique de la teleoperation

La structure qui s'est vite imposee en terme de teleoperation est la structure

((ma^tre{esclave))(voir gure 1.1). Elle est constituee de deux parties qui interagissent:

{ l'operateur commande son robot via une interface de commande, le ma^tre, qui lui restitue le plus delement possible les evenements lies au robot,

{ la partie operative du robot, l'esclave, repond aux ordres du ma^tre et lui transmet en retour les donnees qu'il a captees.

vop:(t)

ve(t)

fenv:(t)

fm(t)

(a) Illustration (d'apres [AND 92])

Opérateur

humain Maître Esclave

Environnement Médium de Transmissions vop:(t) vm(t) vmr(t) ve(t) fenv:(t) fe(t) fer(t) fm(t) (b) Schema bloc

Figure 1.1 { Schema d'une structure de teleoperation ma^tre{esclave classique Le ma^tre n'est pas forcement une replique de l'esclave a l'echelle pres. A faible distance, ces dispositifs permettent, entre autres exemples, de manipuler des produits dangereux enfermes dans une caisse blindee (comme celui de la gure 1.2), ou de

1.1. Les origines de la teleoperation 7 commander un bras manipulateur pour deplacer des objets lourds. Dans ce dernier cas, l'echelle en eort est modiee de maniere a ce que n'importe quel operateur humain puisse intervenir.

Ce type de structure permet un retour des eorts que doit developper l'esclave vers l'operateur, ce qui lui ore une plus grande precision dans ses gestes. Ces eorts peuvent ^etre de surcro^t remis a l'echelle de l'operateur lorsqu'il doit agir, par exemple, sur des micro-systemes.

(a) Vue d'ensemble

Maître Esclave

(b) Schema

Figure 1.2 { Exemple de telemanipulateur mecanique pour le domaine nucleaire La transmission entre le ma^tre et l'esclave a d'abord ete mecanique (engrenages, c^ables, ...): en 1948, Goertz et son equipe de l'Argonne National Laboratory ont cree un manipulateur pour l'experimentation nucleaire en laboratoire [GOE 64]. L'operateur possedait une vision directe sur la zone de travail a travers une paroi transparente. Les inconvenients propres a son systeme etaient son echelle limitee a 1:1 et le poids du manipulateur ma^tre qui induisait une fatigue physique de l'operateur. D'autre part, les distances ma^tre{esclave etaient limitees par la technologie et la visibilite directe du poste de travail. Plus tard, des telemanipulateurs a transmission hydraulique ont ete crees pour les esclaves devant exercer des eorts surhumains, comme les engins de chantier, par exemple.

En 1954, le m^eme Goertz est passe a la telemanipulation electrique prenant la forme d'un asservissement bilateral position{position. Le passage a une transmission electrique (laire ou radio, analogique ou, plus recemment, numerique) ouvrait alors le champ a de nombreuses ameliorations. Des lors, les echelles geometriques et en eorts entre le ma^tre et l'esclave ne restent plus limitees a 1:1, le rayon d'action s'accro^t et l'electronique puis l'informatique viennent orir de nouveaux horizons dans la com-mande de tels telemanipulateurs. Il devient alors possible de diminuer la fatigue phy-sique de l'operateur en compensant les eets de la gravite sur le dispositif ma^tre par un algorithme de commande adequat. De plus, l'operateur a desormais la possibilite d'enregistrer des sequences de manipulations que le robot repetera automatiquement. Cependant, l'augmentation de la distance ma^tre{esclave a pour inconvenient de

sup-8 Chapitre 1. Etat de l'art primer la visualisation directe des objets a manipuler. L'operateur doit alors avoir recours a un systeme de video-surveillance induisant une fatigue psychique.

La distance entre le ma^tre et l'esclave va imposer la technologie de transmission: plus cette distance grandit, plus une solution electrique puis numerique apparaissent les plus adequates pour des questions de co^ut, de complexite et d'immunite au bruit du signal avec la distance. Malheureusement, en augmentant les distances, les delais de propagation rendent la teleoperation de plus en plus dicile pour l'operateur car il doit mentalement tenir compte des delais de transmission.

En 1965, Ferrel a demontre l'instabilite d'un telemanipulateur opere via une commande bilaterale (reprenant le schema de celle representee en gure 1.1) en presence de delais de transmission de l'ordre de 0,1 s [FER 65].

En 1981, Vertut reussit a stabiliser un teleoperateur du type [FER 65] par une diminution de la bande passante des signaux echanges entre le ma^tre et l'esclave au prix de vitesses limitees a 10 cm/s [VER 81]. En ltrant ces signaux, il evitait ainsi que le systeme ne s'accroche sur des frequences de resonance rendant le systeme instable.

Il n'est pas rare de rencontrer des systemes ou les delais de transmission depassent le dixieme de seconde, rendant ainsi les teleoperateurs contemporains instables. En outre, le probleme de la stabilisation d'un asservissement bilateral en presence de retards, qui plus est parfois variables, est loin d'^etre evident a resoudre. C'est pourquoi, au cours des annees 80, les roboticiens laissent un peu de c^ote cette qu^ete mathematique de la stabilisation. Ils s'orientent plut^ot vers des solutions donnant d'une part un peu d'autonomie a l'esclave et ameliorent d'autre part le ma^tre a l'aide de modules de prediction an de compenser les eets des retards sur les retours d'informations. Ainsi, en 1986, Sheridan fut parmi les premiers a proposer des (( achages predictifs)) et

un (( contr^ole superviseur)) [SHE 86] (cf. x1.3.4, page 28).

En 1988, Anderson et Spong [AND 88] se penchent alors sur les problemes de

stabilite dans un asservissement bilateral en presence de delais de transmission. Ils mo-delisent la boucle de teleoperation a l'aide des reseaux de Hilbert non lineaires (cf. annexe A). Ils obtiennent ainsi un reseau de quadrip^oles en serie, a l'image des quadri-p^oles d'un systeme electronique. En faisant appel a la theorie des lignes de transmission et de la stabilite developpee parLyapunov, ils demontrent qu'il est possible de rendre le systeme stable quels que soient les delais de transmission. Cela suppose toutefois que le ma^tre et l'esclave sont initialement passifs et qu'il faut les completer de telle sorte que leur norme H

1 soit strictement inferieure a 1. Cependant ces auteurs ne donnent

pas de methode pour construire physiquement un ma^tre et un esclave passifs, d'autant plus qu'un systeme obtenu par discretisation d'un systeme continu via un echantillon-neur bloqueur d'un systeme passif n'est pas automatiquement passif [LEU 92]. Ainsi cette methode ne sera pas directement applicable pour des contr^oleurs numeriques et/ou via des canaux de transmission numeriques.

En 1989, les m^emes roboticiens ameliorent leur schema de teleoperateur bilateral continu en le rendant stable pour un retard constant donne [AND2 89]. Ils ont valide ex-perimentalement leur concept sur un systeme lineaire a un degre de liberte. Le systeme

1.1. Les origines de la teleoperation 9 etait initialement instable des 40 ms de retard; une fois ameliore, le retard maximum supporte a atteint 200 ms. Cependant il faudra attendre 1992 pour demontrer la sta-bilite asymptotique des signaux de vitesse du ma^tre et de l'esclave. Ils etendent alors leurs resultats a un systeme non lineaire a n degres de liberte et demontrent la pos-sibilite de changer l'echelle des puissances entre le ma^tre et l'esclave sans alterer la passivite du ma^tre et de l'esclave.

En 1990, Niemeyer et Slotine[NIE 90] reprennent le travail precedent en utili-sant un formalisme habituellement dedie aux guides d'ondes (cf. x1.3.1, page 19). Ils

introduisent le concept d'impedance caracteristique et demontrent que les delais de transmission agissent sur les impedances vues respectivement depuis le ma^tre et de-puis l'esclave. Ils precisent comment ces derniers doivent ^etre elabores an d'obtenir des caracteristiques de re exion et de transmission adequates.

C'est en 1993 que la premiere teleoperation spatiale sol{navette a ete realisee avec le robot ROTEX [HIR 94]. Les delais de transmission aller{retour atteignaient 7 s car les signaux devaient transiter via des satellites pour obtenir une communication continue. La solution adoptee dans ce cas a fait appel a une interface en 3 dimensions ou se superposaient des images video en stereo et un achage virtuel permettant a l'operateur d'eectuer des presimulations de ses manuvres (cf. gure 1.3).

Figure 1.3 { Representation virtuelle du robot ROTEX [HIR 94]

Des 1995 eurissent des experimentations de teleoperation de robots via l'Internet notamment aux Etats-Unis [GOL 95], [PAU 96] et en Australie [TAY 95]. Dans le cas du projet Mercury [GOL 95], l'experimentation consiste en un jeu accessible au commun des internautes. Il s'agissait de resoudre une enigme en fouillant dans un bac a sable a

10 Chapitre 1. Etat de l'art l'aide d'un robot de type SCARA equipe d'une camera et d'une buse d'air comprime (cf. gure 1.4) . L'interface etait assez rudimentaire et peu ergonomique, limitee par les fonctionnalites des serveurs WWW. Il faudra attendre 1997 pour voir appara^tre des interfaces sous JAVA, notamment dans [DEP 97] puis [GRA 00].

(a) Le robot (b) L'interface WWW

Figure 1.4 { Environnement de (( jeu )) pour le robot de type SCARA [GOL 95]

Simultanement, les techniques de teleprogrammation s'ameliorent et atteignent le monde sous-marin comme dans [MAD 96] et [SAY 96]. Certains transforment les re-tours d'eorts en informations visuelles et sonores [MIT 95], d'autres font appel a des casques de realite virtuelle pour une vision stereo et des capteurs de mouvement de dierentes parties du corps de l'operateur an d'envoyer des consignes plus evoluees a l'esclave [POO 95]. Le principe de surimpression de mouvements simules du manipu-lateur sur une image video en 3 dimensions [RAS 96] se generalise (cf. gure 1.5).

En 1996, Tarn et Brady ont propose un contr^oleur interessant, s'adressant a des retards variables bornes et dont les variations sont egalement bornees [TAR 96]. Ils s'appuient sur un observateur developpe dans [WAT 81].

En 1996 egalement, Kheddar, Tzafestas et Coiffet innovent en matiere de teleprogrammation en teleoperant simultanement depuis le LRP1 _{quatre robots}

die-rents localises a Poitiers, Grenoble, Nantes et Tsukuba au Japon. La t^ache consistait a assembler un puzzle de quatre pieces en utilisant une interface ayant un niveau d'abs-traction eleve; le concept de((robot cache))[KH2 97] a permis a l'operateur d'accomplir

la t^ache en agissant dans un environnement simule directement avec ses mains d'une maniere naturelle.

En 1997, Leung [LEU 97] propose une methode pour developper un contr^oleur dans le cadre d'une boucle de teleoperation bilaterale avec des retards plafonnes. Cette methode fait appel a la commande H

1 [DEL 93] et une methode nommee -analyse.

Cette methode ne suppose pas la passivite du ma^tre ou de l'esclave et est applicable

1.1. Les origines de la teleoperation 11

superposé Modèle graphique du télérobot

Image video du robot

Effecteur virtuel et pièces réelles

Figure 1.5 { Superposition du modele virtuel sur une image video stereoscopique [RAS 96]

aux mouvements libres d'un manipulateur ainsi que pour les mouvements en interaction avec l'environnement

Jusqu'a nos jours, la recherche en teleoperation s'est concentree sur deux aspects complementaires, d'une part l'amelioration des commandes bilaterales (par exemple [KOS 97], [NIE2 97] et [YOK 00]) et, d'autre part l'amelioration des commandes par teleprogrammation (pour ne citer que [TSU 97], [TUR 97] et [BAL 98]). Toutefois, l'equipe d'Ando s'est penchee en 1999 sur les problemes de perception des retards

par l'operateur dans le cadre de teleoperations [AND 99]. Elle note trois modes de fonctionnement de l'operateur en fonction de la taille des delais de transmission.

{ le mode operatoire temps{reel lorsque les delais sont inferieurs a quelques milli-secondes; l'operateur ne se rend pas compte de la presence de retards,

{ le mode operatoire avec perception du retard; ce dernier se situe alors entre quelques millisecondes et plusieurs dixiemes de secondes. L'operateur predit les consequences de ses actions au fur et a mesure sans arr^eter la teleoperation, { le mode operatoire avec estimation du retard; au-dela de la seconde, l'operateur

utilise une technique de mouvement puis d'attente de la perception des conse-quences de ce mouvement: scenario (( move and wait)).

Cependant, ces experiences n'ont pas abouti a des resultats permettant d'ameliorer la realisation d'interfaces homme{machine plus adaptees au prol psychologique d'un operateur humain.

Notons egalement l'apparition de la telemedecine dans les themes de recherche lies a la teleoperation des 1998 et l'experience SHISHA98 [GOU 99] dans le cadre du projet

12 Chapitre 1. Etat de l'art SYRTEC2 _{(cf. gure 1.6).}

Figure 1.6 { Contexte de teleoperation pour l'experience SHISHA98 [GOU 99]

1.2 Applications

Il existe trois grands domaines particulierement concernes en matiere de teleopera-tion.

{

Le domaine spatial

: laNASA a commence a developper la teleoperation pour explorer des planetes lointaines. Rocky 7, le ((rover3 )) qui a explore la planete

Mars (gure 1.7(a)) est sans doute le systeme teleopere le plus celebre a ce jour. Il s'agit de la teleoperation a longue distance la plus spectaculaire et la plus dicile a resoudre. LaNASA a aussi eectue la teleoperation depuis la terre d'un bras manipulateur situe sur la navette Columbia [HIR 94]. La navette etant en orbite basse (300 a 500 km de la surface de la terre), le temps de trajet aller d'un message est de 0,25 s mais l'emetteur{recepteur terrestre ne voit la navette que pendant 10 a 20 minutes toutes les 2 heures. L'utilisation de relais par satellites a permis de garantir la liaison radio quelle que soit la position de la navette. Helas, elle a fait grimper le temps de transmission moyen a 6s avec des variations rapides autour de cette moyenne de l'ordre de quelques centaines de millisecondes et des variations lentes de l'ordre de la seconde. Plus recemment, les chercheurs du

JPL4 _{ont teleopere un rover sur Mars lors de la mission} (( Mars Polar Lander ))

[BAC 00].

2. Tele-Scanning Robot System

3. issu de ROV :((Remotely Operated Vehicle)), autrement dit un vehicule teleopere

1.2. Applications 13 {

Le monde sous-marin

: la recherche de nouveaux gisements petroliferes im-plique l'exploration des hauts-fonds. Une introduction assez complete sur les problemes lies a la teleoperation sous-marine est developpee dans [MAD 96]. Si, dans le cas spatial la distance est le principal facteur de retard, ici, c'est le mi-lieu aquatique lui-m^eme qui se pr^ete mal aux transmissions. L'equipe deSayers

a eectue des experimentations grandeur nature consistant a teleoperer un ve-hicule immerge a une profondeur de 7m depuis un laboratoire situe a 500 km par l'intermediaire d'un bateau relais situe en surface non loin du submersible [SAY 96]. Ses modems acoustiques ont permis une communication entre le bateau et le sous-marin a un debit de l'ordre de 10 kbits/s avec un delai de transmission aller{retour global de l'ordre de 10 s. L'IFREMER possede plusieurs ROV pour l'exploration des fonds sous-marins. La gure 1.7(b) presente l'un d'entre eux: Victor 6000. Il s'agit d'un engin a c^able pilote a partir d'un navire support. Il a ete concu pour faire de l'investigation optique et eectuer des missions locales in-cluant l'imagerie, la mise en uvre d'instrumentation ainsi que des prelevements d'eau, de sediments ou de roches.

{

Le domaine nucleaire

s'interesse de pres a la teleoperation an d'eectuer des manipulations dans des endroits exposes aux radiations. Ainsi leCEAa developpe Sherpa (visible en gure 1.7(c)), un hexapode pour ambiance hostile, capable de se fauler a l'interieur d'une installation nucleaire par des chemins initialement prevus pour l'homme, de soulever et d'emporter des charges lors d'interventions, d'amener des bras manipulateurs en position de travail pour reparer ou remplacer du materiel en panne.

(a) Rocky 7 (b) Victor 6000 (c) Sherpa

Figure 1.7 { Exemple de robots teleoperes en milieu hostile

En dehors de ces trois domaines, particulierement importants car correspondant a un environnement peu accessible a l'homme, d'autres applications apparaissent dans des domaines plus varies:

{ La telemedecine5_{: en 1998, par exemple, une teleoperation par satellite a permis a}

des medecins situes a Bourges d'eectuer des releves medicaux par ultra-sons sur

14 Chapitre 1. Etat de l'art un alpiniste escaladant le mont Shisha (8000 m d'altitude) au Nepal [GOU 99]. D'autre part, la gure 1.8 illustre l'inter^et de la teleoperation dans les nouvelles disciplines chirurgicales en montrant un simulateur pour une operation endo-scopique teleoperee et une vue d'artiste d'une salle d'operation futuriste. Dans ce domaine, des equipes de recherche telles que celle de Tanimoto [TAN 98] se concentrent sur la securite, indispensable lors d'operations neurochirurgicales teleoperees.

{ La telemaintenance: entre autres exemples, Hydro-Quebec (l'E.D.F. du Quebec) etudie cet outil an de surveiller et de reparer ses installationselectriques reparties sur son immense territoire.

{ La gestion d'un parc automobile en libre-service, en faisant appel a la teleopera-tion des vehicules vides an de les amener a des points de rendez-vous.

(a) Simulateur pour endoscopie (b) Salle d'operation du futur

Figure 1.8 { La telechirurgie: une branche recente pour la teleoperation

Si nous sortons du cadre de la robotique, nous nous apercevons que la teleoperation a d'autres acceptions:

{ l'assistance en ligne aux clients ( ((help desk)) ou((hot line))),

{ la commande d'enqu^etes et de sondages a distance, le plus couramment par tele-phone.

1.3 Les dierentes familles

Dans leur article [PAU 92], Paul et al. proposent quatre grandes approches des problemes lies au retard en teleoperation:

{ implantation d'un asservissement dont la boucle inclut le ma^tre, le medium de transmission et l'esclave (cf. gure 1.9(a)); valable en general pour des petits

1.3. Les dierentes familles 15 retards peu variables,

{ prediction des mouvements de l'esclave et achage predictif via une interface homme{machine amelioree (cf. gure 1.9(b)),

{ contr^ole partage: l'esclave gagne en autonomie en etant capable d'eectuer des manuvres simples en contact et en mouvement d'approche avec son environne-ment (cf. gure 1.9(c)),

{ contr^ole superviseur: ce ne sont plus des consignes qui sont transmises mais des ordres symboliques, par exemple, (( visser ecrou )), (( atteindre telle position)), ...

(cf. gure 1.9(d)). Maître Esclave GM(p) T GE(p) r (A) T r (R)

(a) Commande a boucle globale

Retour virtuel Maître Esclave T r (A) T r (R)

(b) Achage predictif et Interface Homme{Machine avancee

Retour virtuel

Maître Contrôle local Esclave

T r (A) T r (R)

(c) Contr^ole partage (shared control)

Maître Site distant Contrôleur évolué Esclave Site local T r (A) T r (R)

(d) Contr^ole superviseur (supervisory control)

Figure 1.9 { Quatre grandes approches de la teleoperation a longue distance (d'apres [STE94])

16 Chapitre 1. Etat de l'art

1.3.1 Commandes a boucle globale

Ce type de commande maintient une boucle d'asservissement integrant le ma^tre, l'esclave et les delais de transmission.

Etude en automatique classique

En automatique classique, un retard pur  peut se modeliser par une fonction de transfert Hr(p) dans le domaine de Laplace(cf. equation1.1).

L[f(t;)] =e ;p::F

(p) ) Hr(p) =e ;p:

(1.1) Cette fonction de transfert entra^ne un dephasage
 (equation 1.2) qui diminue tres rapidement la marge de phase qui devient dicile a determiner pour des systemes d'ordre superieur a 1.

 =!: (1.2)

Si nous souhaitions compenser parfaitement ce retard pur, il faudrait ajouter un predicteur pur C(p) =e+p:_{, ce qui n'existe malheureusement pas (non causal).}

Predicteur de Smith

Une solution proposee dans [DEL 93] utilise un((predicteur de Smith))(represente

gure 1.10). Il s'agit d'une methode qui s'apparente au modele interne [DEL 93]. Le predicteur doit conna^tre les retards aller et retour supposes constants (ou tout au moins lentement variables), en l'occurrence , ainsi qu'un modele (ne serait-ce qu'approche)

E(p) du processus a asservir E(p). Le contr^oleur doit posseder un correcteur capable

d'asservir le processus en l'absence de retard.

Y(p) est le signal utilise par le contr^oleur pour asservir le processus.

Y(p) = E (p) +e;2::p (E(p);E  (p)) :U(p) Si E(p) modelise parfaitement le processus E(p), alors:

Y(p) =E(p):U(p) =E(p):U(p)

Le contr^oleur peut ainsi agir comme s'il n'y avait aucun delai de transmission. Un simple correcteur de type P.I.D. peut sure a contr^oler correctement le processus.

Cependant, E(p) n'est, dans la realite, jamais parfait; d'autre part le predicteur

doit conna^tre parfaitement le retard , ce qui augmente nettement la marge d'impre-cision de l'estimation.

1.3. Les dierentes familles 17 + + Prédicteur de Smith Communication Opérateur U(p) E(p):(1 ;e ;2::p) e;:p e;:p E(p) Y(p)

Figure 1.10 { Predicteur de Smith

Commande bilaterale

En general, le fait d'asservir la position ou la vitesse du teleoperateur ne sut pas pour commander un systeme a distance. Si ce type d'asservissement peut se reveler susant dans le cas de mouvements libres du systeme teleopere, il n'est pas assez evolue pour traiter des mouvements d'approche ou en contact avec l'environnement.

Une commande bilaterale est un asservissement qui couple une partie des variables d'etat du dispositif ma^tre a une partie correspondante des variables d'etat de l'esclave.

Il existe quatre combinaisons dans le cadre de la commande de robots: { le ma^tre est commande en position, l'esclave aussi,

{ le ma^tre est commande en position, l'esclave en force, { le ma^tre est commande en force, l'esclave en position, { le ma^tre et l'esclave sont commandes en force.

Les t^aches reservees a la teleoperation necessitent souvent que le manipulateur in-teragisse avec son environnement, en entrant en contact physique avec celui-ci (par exemple, suivi de surface et assemblage: operations representees en gure 1.11). La commande bilaterale permet ainsi de commander en eort (ou en position) et en po-sition (ou en eort) le manipulateur distant et apporte ainsi un confort a l'operateur rapidement devenu indispensable. Elle est donc un (( classique)) en teleoperation.

L'inconvenient de cette commande est qu'elle est tres sensible aux delais de trans-mission.

Pour pouvoir etudier les problemes poses par les retards dans une commande bila-terale, il a d'abord fallu trouver une description adaptee a l'ensemble des composants d'une boucle de teleoperation. Pour cela, le ma^tre et l'esclave sont modelises d'un point de vue mecanique a l'aide d'une masse, d'un ressort et d'un amortisseur (cf. gure 1.12).

18 Chapitre 1. Etat de l'art

Figure 1.11 { Representations virtuelles d'operations en interaction avec l'environne-ment (d'apres [KH2 97]) Capteur d’efforts Maître Capteur d’efforts Esclave vm(t) _vs(t) fh(t) fmd(t) _{fs(t) fe(t)} K K D _D M M

1.3. Les dierentes familles 19

Anderson et Spong [AND 92] ont songe a une certaine categorie de reseaux de Hilbert non lineaires, les reseaux de type PHIDE (cf. annexe A). Il leur a ainsi ete possible de modeliser entierement la cha^ne de teleoperation pour un retardTrconstant

et de rendre le ma^tre et l'esclave passifs vis-a-vis du bloc de transmissions qui est lui, deja passif par nature (cf. gure 1.13). En operant ainsi, le systeme est stable pour toute valeur deTr. Environnement Esclave Maître humain Transmissions Opérateur vm(t) v_sd(t) vs(t) fh(t) fh(t) f_md(t) fm(t) fs(t) fs(t) fe(t) fe(t) K K D M D M Ks Ds Tr

Figure 1.13 { Cha^ne de teleoperation modelisee en reseau de Hilbert

Ce modele, dans lequel le ma^tre et l'esclave possedent la m^eme dynamique mode-lisee par les equations (1.3) et (1.4), est represente en gure 1.12.

M:v_m(t) +D:vm(t) +K: Z t 0 vm():d =fh(t);fmd(t) (1.3) M:v_s(t) +D:vs(t) +K: Z t 0 vs():d =fs(t);fe(t) (1.4)

vm(t) et vs(t) sont les vitesses respectives du ma^tre et de l'esclave. M, D et K

correspondent a leur masse, leur coecient de viscosite et leur raideur. fh(t) est la

force appliquee au ma^tre par l'operateur,fe(t) la force exercee par l'environnement sur

l'esclave.fs(t) est la force qui permet au ma^tre et a l'esclave de se suivre mutuellement:

fs(t) =Ks:

Z t

0 (vsd();vs()):d+Ds:(vsd(t);vs(t)) (1.5)

avec vsd(t) l'information de vitesse du ma^tre que l'esclave recoit.

Cette etude ne s'adresse qu'aux systemes continus. Cependant, en utilisant la trans-formation bilineaire (cf. annexe A), il est possible de modeliser un systeme echan-tillonne.

Ce type de commande a ete teste avec succes par les auteurs de [KOS 97] sur un systeme a un degre de liberte avec une periode d'echantillonnage de 2 ms.

Notion d'outil virtuel ou contr^ole en impedance

La presence de retards de transmission impose des limitations fondamentales des performances d'un telerobot, independamment de l'aspect technique. En particulier, la

20 Chapitre 1. Etat de l'art reaction a une perturbation inconnue ou a un contact avec l'environnement ne peut pas avoir d'eet avant le temps de parcours aller{retour de l'information. Ainsi la bande passante de la boucle sera limitee par cet aspect.

Cependant, il est tres important de presenter a l'operateur un systeme simple et previsible. Chaque comportement inattendu risque de compliquer singulierement le travail de l'operateur qui aurait pu se concentrer exclusivement sur la t^ache a accomplir. L'ideal serait de pouvoir comparer le systeme a un jeu video, simple a utiliser mais possedant assez de fonctions pour atteindre le but escompte.

Niemeyer et Slotine ont ainsi propose de creer un outil virtuel que l'operateur manipule depuis son pupitre de contr^ole. Ce nouvel outil transforme le telerobot en un systeme aux dynamiques simples et previsibles [NIE2 97].

Cet outil virtuel possede des caracteristiques inertielles et de raideur qu'il est pos-sible d'adapter aux delais de transmission. Par exemple, un faible delai donne un outil virtuel equivalent a un tournevis: leger et rigide. Au fur et a mesure que le retard aug-mente, l'outil devient de plus en plus lourd et/ou mou a l'image d'une perceuse et/ou d'une eponge. D'autre part, pour un mouvement libre, il est possible de parametrer l'outil de maniere a obtenir un mouvement rapide et (( mou )). A l'inverse, lors d'une

phase de contact, il est plus interessant de manipuler un outil lent mais rigide de facon a bien contr^oler les eorts de contact.

Il est important en general de reconna^tre les limitations induites par les delais de transmission et de reduire les performance de l'outil virtuel en consequence.

L'approche par variables d'ondes (cf. annexe B) permet justement un ajustement automatique. Elle complete l'approche precedente car elle permet non seulement de creer des systemes robustes aux retards, mais encore de placer des elements en cascade sans les problemes classiques de causalite lies aux admittances/impedances. Cette ap-proche se fonde uniquement sur des concepts de puissance et d'energie et est applicable a des systemes non lineaires et peut gerer des modeles inconnus ou incertains. De ce fait, elle convient bien aux interactions avec un environnement physique reel.

Considerons un esclave incluant un contr^oleur Proportionnel{Derive (B et K sont des matrices de gain, symetriques denies positives et constantes) an que _xs(t) et

xs(t) suivent respectivement les consignes _xsd(t) etxsd(t) (cf. gure 1.14). L'operateur

impose _xm(t) et recoit en retour une representation fm(t) de l'eort que doit fournir

l'esclave pour accomplir le mouvement.

fs(t) =;B: ; _ xs(t);x_sd(t)
;K: ; xs(t);xsd(t)
(1.6) La gure 1.14 illustre les dierents trajets des ondes; trois modes y sont representes: { A chaque mouvement induit par l'operateur, correspond un retour direct sous la

forme d'un amortissement b:x_m(t).

{ Au niveau du bloc de transmissions, une partie de chaque onde incidente vm(t)

1.3. Les dierentes familles 21 -+ -+ + -Amortissement

apparent Réflexions Signaux de retour

de l’esclave Transformation locale Délais de transmission Transformation distante _ xm(t) fm(t) _ xs(t) _ x_sd(t) fs(t) 1 mm:p B:p+K p 1 ms:p um(t) vm(t) us(t) vs(t) Tr(A) Tr(R) Tr(A)=Tr(R)=Tr b b

Figure 1.14 { Modelisation d'une boucle de teleoperation simple a l'aide des variables d'ondes

qui emettent a leur tour des ondes re echies a leur arrivee aux extremites du bloc de transmission. Ces re exions ne contiennent pas d'information interessante et peuvent mettre plusieurs cycles avant de (( mourir )). Elles creent ainsi des

perturbations qui peuvent degrader les performances des divers asservissements. { Enn, le dernier trajet correspond au retour des informations de l'esclave vers le ma^tre: vitesse reelle de l'esclave _xs(t) et eorts fs(t) fournis pour realiser le

mouvement.

Tous les elements de ce systeme sont passifs, il est donc stable independamment du delai constant Tr. Cependant, sous cette forme, les donnees transmises contiennent

une combinaison des vitesses et des forces. Autrement dit, aucune mesure de position n'est transmise directement. Theoriquement, l'asservissement en position est faisable mais du fait que ce sont des vitesses et non des positions qui sont vehiculees, le cumul des erreurs numeriques lors des diverses transformations et de l'integration des vitesses peut engendrer une derive progressive entre la position du ma^tre et celle de l'esclave. Il existe deux solutions a ce probleme. La premiere solution a ete proposee par

Niemeyer et Slotine dans [NIE1 97] et consiste a transmettre une version integree des signaux d'ondes um(t), us(t),vm(t), vs(t) en plus des signaux d'ondes eux-m^emes.

En eet ces signaux possedent l'information de position et peuvent ^etre construits directement sans necessiter d'integration.

La seconde solution a ete presentee par les m^emes auteurs dans [NIE2 97]. Elle consiste en une correction du signalum(t) en fonction de la derive mesuree entrexsd(t) et xm(t).

Les diverses re exions parasites representees sur la gure 1.14 sont dues a une inade-quation des impedances du ma^tre et de l'esclave par rapport au bloc de transmissions. Ce dernier possede une impedance b que l'operateur peut modier si besoin est. An d'eviter des re exions parasites, il faut adapter les impedances du ma^tre et de l'esclave

22 Chapitre 1. Etat de l'art a celle du bloc de transmission. Pour ce faire, il sut de parametrer correctement deux correcteurs P.D., un au niveau du ma^tre et l'autre au niveau de l'esclave (cf. gure 1.15)

Du point de vue de l'operateur, le systeme peut ^etre caracterise uniquement par sa masse Mapp, sa raideur Kapp et son amortissement Bapp qui sont donnes dans ce cas

par les relations:

Mapp = Mm+b:Tr+Ms (1.7) Bapp = 2:b (1.8) Kapp = Km;1+  b Tr  ;1 +Ks;1 (1.9) -+ + -+ -+ Ta Tr -+ + + -+ + + -Transformation locale Délais de transmission Transformation distante _ xm(t) x_md(t) x_sd(t) x_s(t) fh(t) fe(t) 1 mm:p B:p+K p B:p+K p 1 ms:p um(t) vm(t) us(t) vs(t) b b R R D D

Figure 1.15 { Adaptation d'impedance a l'aide de deux correcteurs P.D.

Ces equations permettent de comprendre l'eet de l'impedance caracteristique b et du retardTr sur le comportement apparent du systeme. L'impedanceb est un

compro-mis entre une grande inertie et une grande rigidite. Le retard deteriore ces deux aspects de maniere identique en augmentant la masse apparente et en reduisant la raideur.

Cas des retards variables

Ces methodes de stabilisation ont pour hypothese la constance du retard. Or les moyens de transmission informatique habituels ne garantissent pas cette constance. D'autre part des systemes stables en presence de retards constants peuvent devenir instables pour de tres faibles variations de ces retards. Qui plus est, les temps de transmission aller{retour ne sont pas identiques.

Pour palier ce probleme, l'equipe de Kosuge propose dans [KOS 96] une com-pensation des variations de retards semblable a celle developpee au chapitre 3. Cette compensation passe par une premiere phase d'audit du reseau pour determiner le retard mesure le plus eleve, noteTrmax. Ensuite, les trames de donnees sont emises a periode constante multiple de la periode d'echantillonnage du ma^tre et de l'esclave.

Quand une trame est emise, par exemple, par le ma^tre a l'instant t0, elle est

re-ceptionnee par l'esclave apres un delai de
t=t0;tr(t0). Si
test inferieur a Trmax,

la trame est conservee pendant une duree Trmax ;
t dans une le d'attente. Ainsi le

1.3. Les dierentes familles 23 une valeur legerement inferieure au retard maximum observe pendant la phase d'audit du reseau car la probabilite qu'un tel retard survienne est faible. Si un retard superieur aTrmax advient, alors les valeurs de la trame precedente sont fournies et la trame en re-tard eliminee. Nous supposons que le recepteur est capable, avant de reguler les trames incidentes, de les remettre dans l'ordre d'emission; ce detail n'est pas specie dans l'article. Les auteurs prevoient une adaptation de Trmax en fonction de l'evolution des delais de transmission an de modulerTrmax en fonction des conditions de transmission sur une longue periode d'experimentation. Pour rendre le bloc de transmission passif (cf. annexe A), ils imposent un temps de vol aller Trmax_(A) identique au temps de vol retour Trmax_(R) : Trmax_(A) =Trmax_(R) =Trmax

Des experimentations leur ont permis d'observer des delais de transmission ma^tre vers esclave variant entre 0 et 705 ms avec 95% des retards mesures inferieurs a 495 ms, d'ou un choix de Trmax = 495 ms, en estimant un taux de depassement a 5%.

Notons que cette methode de calcul de Trmax necessite de pouvoir calculer le temps de vol d'une trame entre le ma^tre et l'esclave; or, si ceux-ci sont eloignes, il est dicile de synchroniser leur horloge a la milliseconde pres. D'autre part, cette methode ne tient pas compte des variations des retards, uniquement du maximum de ces retards; ainsi si, par malchance, lors de la phase d'audit du reseau, un pic nettement superieur au mode principal des retards est observe, Trmax sera exagere par rapport a la globalite des retards observes. L'adaptation de Trmax aux conditions de trac peut limiter les eets d'une telle sur-estimation mais l'article ne stipule que des adaptations destinees a contrer des hausses de trac, pas de baisse. Le fait d'imposer le m^eme retard glo-bal a l'aller et au retour peut penaliser une liaison asymetrique; cette condition est indispensable pour la passivite du bloc de transmissions mais ne l'est plus pour des commandes ne faisant pas intervenir la notion de passivite. Enn, il n'est pas toujours acceptable de perdre des informations, m^eme 5%; tout depend de la nature de la t^ache que l'esclave doit eectuer.

Les auteurs de [KOS 97] eectuent un retour en arriere en se contentant d'un echan-tillonneur bloqueur d'ordre 0 parametre a la periode d'emission a la place du regulateur de retards. Ils ne demontrent pas la stabilite de leur systeme mais fournissent des re-sultats d'experimentations satisfaisants.

L'equipe de Yokokohji a propose son propre compensateur de retards dans

[YOK 00]. Sa methode est representee gure 1.16 et est developpee dans le cas d'une emission du ma^tre vers l'esclave.

Quand une onde est emise par un des emetteurs (le ma^tre ou l'esclave), elle est accompagnee de sa date de depart enregistree dans le signaltlast_{m (t). En considerant les}

primitives du signal emis um(t) et du signal retarde (~us(t)) puis compense us(t), les

auteurs montrent qu'il est possible de restaurer le signal initialum(t).

Il sut d'eectuer un asservissement proportionnel sur l'erreur entre les integrales de us(t) et us(t) (K est une matrice de gain diagonale et denie positive):

24 Chapitre 1. Etat de l'art Compensateur Transmission Esclave Compensateur Délais de locale Lien distante de la forme de l’onde initiale K Tampon de données Transformation Transformation Maître Restauration Délais de transmission variables + + + -SW1 SW2 Compensateur _ xm(t) x_s(t) fm(t) fs(t) T(A)(t) T(A)(t) T(R)(t) (um(t); tm(t)) (um(t); tm(t)) (~us(t); tm(t)) (~us(t); tm(t)) us(t) us(t) (vs(t); ts(t)) ((~vm(t); tm(t)) vm(t) Rt 0 us()d Rt 0 usd b b

Figure 1.16 { Structure globale de compensation des retards proposee par Yokokohji

us(t) = ~us(t) +K: Z t 0 us():d ; Z t 0 us():d  (1.10) Un gain K eleve permet au systeme de converger rapidement mais le systeme de-vient tres sensible aux variations de retards. Le gain K est donc a determiner selon ce compromis.

Il est toutefois possible de limiter cette sensibilite aux uctuations des retards en introduisant un second retard Tr(A)(t) tel que:

us(t) = ~us(t) +K: Z t 0 us():d ; Z tlim s (t) 0 us():d ! (1.11) avec tlim_{s (t) deni par:}

tlim_{s (t) =} ( t si t6tlastm (t) +Tr (A)(t); tlast_{m (t) +Tr} (A)(t) sinon. (1.12)